В Британии разработали успешный прототип литий-воздушного аккумулятора, который имеет большую плотность энергии, обладает высокой эффективностью и способен перезаряжаться до 2000 раз. Лабораторная разработка показала пути решения многих проблем, которые мешали этим типам батарей развиваться ранее.

Литий-воздушные батареи уже давно рассматриваются в качестве возможной замены современным аккумуляторам из-за их потенциально высокой энергетической плотности – в десять раз большей, чем у господствующих сегодня на рынке литий-ионных аккумуляторов. Такая высокая плотность энергии сопоставима с бензином и позволила бы электромобилю с литий-воздушной батареей проехать без подзарядки от Москвы до Санкт-Петербурга. При этом стоимость энергии и вес батареи примерно в пять раз меньше, чем аналогичные характеристики у бензина.

Тем не менее, как и с другими возможными батареями будущего, их производству пока что мешают многие технические трудности. Преодолеть эти трудности попробовали сотрудники Кембриджского университета – они продемонстрировали лабораторный образец литий-воздушной батареи, имеющий улучшенную, по сравнению с предыдущими прототипами, энергоемкость, энергоэффективность и стабильность работы.

Новый образец изготовлен на основе очень пористого, "пушистого" углеродного электрода, сделанного из графена (материала, составленного из углеродных листов толщиной в один атом), а также специальных добавок, которые влияют на химические реакции в батарее, делая ее работу более стабильной и эффективной. И хотя результаты работы очень обнадеживающие, до реального выхода на рынок подобных батарей должно пройти еще не менее десяти лет.

"То, чего мы добились, – это большой шаг вперед для данной технологии, и он открывает совершенно новые области для исследований в этом направлении. Мы не решили всех проблем литий-воздушных аккумуляторов, но наши результаты расчищают путь к практическому применению этих устройств", – заявила профессор Клэр Грей из Кембриджского университета, руководившая данной научной работой.

Многие из технологий, которые мы используем в своем быту каждый день, становятся с каждым годом миниатюрнее, быстрее и доступнее – за исключением аккумуляторов. Помимо смартфонов, не требующих зарядки в течение недели, отсутствие прогресса в области батарей сдерживает и другие важные и перспективные технологии: экологичные электромобили и сетевые хранилища запасенной солнечной энергии.

"В своей простейшей форме все батареи сделаны из трех компонентов: положительно заряженного электрода, отрицательного электрода и электролита", – рассказал доктор Тао Лью из Кембриджского университета, также принимавший участие в работе.

В литий-ионных батареях, которые стоят в наших смартфонах и ноутбуках, отрицательный электрод сделан из графита (форма углерода), положительный – из оксида металла, например оксида лития и кобальта, а электролит – из литиевой соли, растворенной в органическом соединении. Работа батареи зависит от движения ионов лития между двумя электродами. Литий-ионные батареи легкие, но с возрастом ухудшается их емкость, а относительно низкая энергетическая плотность заставляет часто их перезаряжать.

За последние десять было разработано большое число различных альтернатив литий-ионным батареям, и литий-воздушные считаются главными претендентами на звание батарей следующего поколения из-за их высокой энергетической плотности. Но все предыдущие попытки сделать работающий прототип заканчивались низкой производительностью таких батарей, маленькой скоростью зарядки, а также присутствием нежелательных химических реакций. Кроме того, такие батареи обычно заряжаются лишь в атмосфере чистого кислорода, а не обычного воздуха, где кислорода всего около 23%.

Грей, Ли и их коллегам удалось разработать батарею, использующую совсем другие химические реакции, нежели прежние прототипы, полагаясь на гидроксид лития (LiOH) вместо более привычного пероксида (Li2O2). С добавлением воды и благодаря использованию йодида лития в качестве "посредника" их батарея показала гораздо меньшее число нежелательных химических реакций, что сделало работу аккумулятора более стабильной после нескольких циклов зарядки и разрядки.

Благодаря точной разработке структуры электрода из пористой формой графена, добавлению йодида лития и изменению химического состава электролита удалось уменьшить разницу в напряжении выдаваемого тока между заряженным и разряженным состоянием аккумулятора – она составила всего 0,2 вольта. Такая небольшая разница делает батарею намного более эффективной по сравнению с прошлыми образцами, которые в лучшем случае показывали разницу в 0,5–1 вольт. Показатель в 0,2 вольта ближе к характеристике литий-ионных аккумуляторов и приравнивается к показателю энергоэффективности в 93%, что довольно высоко.

Электрод из высокопористого графена также значительно увеличивает пропускную способность батареи, но пока только при определенном темпе зарядки и разрядки. Один из главных вопросов, который еще предстоит решить, заключается в способе защиты металлического электрода от образования так называемых дендритов – веретенообразных металлических волокон, которые приводят к короткому замыканию и взрыву батареи. Кроме того, новый образец все еще работает в чистом кислороде. Воздух вокруг нас содержит двуокись углерода, азот и влагу – все они, как правило, вредны для металлического электрода.

"Нам предстоит еще много работы, – признался Лью. – Но если мы что-то и поняли, так это то, что все проблемы имеют пути своего решения. Возможно, надо лишь посмотреть на них под немного другим углом".

"Пока еще остается много нерешенных фундаментальных вопросов, но текущие результаты все равно очень захватывающие. Хотя мы по-прежнему находимся на стадии разработки, мы показали, что существуют решения весьма трудных проблем, связанных с этой технологией", – рассказала Грей.